Размещено на http://www.allbest.ru/

Методология проектирования операций отделочно-упрочняющей обработки деталей машин поверхностно-пластическим деформированием

Р.В. Гуров

Аннотация

Описана методология выбора методов отделочно-упрочняющей обработки рабочих поверхностей деталей машин ППД, определения параметров инструмента и режимов обработки в зависимости от функционального назначения поверхности. Приведены некоторые справочные материалы. Представлен пример результатов расчетов по предлагаемой методологии.

Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, шероховатость, упрочнение, инструмент, режимы обработки.

Широкое применение в промышленности для повышения долговечности деталей машин получили методы отделочно-упрочняющей обработки поверхностно-пластическим деформированием (ОУО ППД). К ним относятся все методы обработки деталей, связанные с пластическим деформированием только их поверхностных слоев и практически не изменяющие исходную точность размеров. Это накатывание, выглаживание, вибронакатывание, виброобработка, дробеструйная, центробежно-ударная, статико-импульсная обработка и др. виды обработки различных поверхностей деталей машин.

Выбор методов ОУО ППД осуществляется в зависимости от размеров деталей, формы и функционального назначения обрабатываемой поверхности. Выбор методов обработки деталей малых размеров (до 100 мм) представлен в табл. 1. Аналогичные таблицы составляются для деталей средних (от 100 до 300 мм) и крупных (более 300 мм) размеров.

В зависимости от точности обрабатываемой поверхности выбирается метод предшествующей обработки, который, в свою очередь, достаточно однозначно определяет исходную для ОУО ППД шероховатость поверхности.

В зависимости от функционального назначения обрабатываемой поверхности детали ОУО ППД можно выполнять на отделочных, отделочно-упрочняющих и упрочняющих режимах.

Отделочная обработка ППД выполняется с целью уменьшения исходной шероховатости поверхности и увеличения ее несущей способности, т.е. увеличения параметра шероховатости t_p или уменьшения параметра Rр, практически без упрочнения поверхностного слоя детали. Это необходимо для повышения износостойкости детали при жидкостном трении, контактной жесткости, герметичности и коррозионной стойкости. Процесс отделочной обработки ППД деталей осуществляется при рабочем давлении, обеспечивающем частичное сглаживание выступов шероховатости при контактном сближении у_к 0,5 Rр_исх

Отделочно-упрочняющая обработка ППД выполняется с целью уменьшения исходной шероховатости поверхности, увеличения ее несущей способности и частичного поверхностного упрочнения детали. Это необходимо для повышения износостойкости при граничном трении, контактной жесткости, герметичности и частично усталостной прочности деталей. Процесс отделочно-упрочняющей обработки ППД деталей осуществляется при рабочем давлении, обеспечивающем контактное сближение в пределах 0,5 Rр_исх у_к Rр_исх .

Упрочняющая обработка ППД выполняется с целью упрочнения поверхностного слоя детали. Это необходимо для повышения износостойкости при сухом трении и усталостной прочности деталей. При этом происходит полное переформирование исходной шероховатости, вплоть до формирования нового регулярного профиля. Процесс упрочняющей обработки ППД осуществляетcя при у_к > Rр_исх .

Таблица 1. Выбор методов ОУО ППД для деталей малых размеров (менее 100 мм)

При выборе приведенного радиуса необходимо учитывать вид обработки. Так, при отделочной и отделочно-упрочняющей обработке приведенный радиус целесообразно определять, исходя из требуемых и исходных параметров качества поверхностного слоя, максимальной производительности. При этих видах обработки в основном происходит деформация исходных неровностей шероховатости. Наиболее оптимальной для обеспечения уменьшения волнистости, стабильности усилия, повышения производительности представляется ширина контакта не менее 3 Sm (рис. 1).

Тогда величина приведенного радиуса определяется из геометрических соображений по зависимости:

r = . (1)

Так как при отделочных режимах y_к достигает 0,5 Rp ? 0,25 Rz, то выражение (1) после преобразования принимает вид

r =

При отделочно-упрочняющих режимах y_к достигает Rp ? 0,5 Rz, следовательно, выражение (1) принимает вид:

r =

Учитывая наиболее часто получаемые сочетания Sm и Rz при предварительной лезвийной обработке, получаем следующие диапазоны радиусов: r = 4,5…45 мм - для отделочной обработки; r = 2,25…22,5 мм - для отделочно-упрочняющей обработки. При предварительной абразивной обработке: r = 0,9…6,75 мм - для отделочной обработки;
r = 0,45…3,35 мм - для отделочно-упрочняющей обработки.

Выбор величины приведенного радиуса при упрочняющих режимах обработки в зависимости от характеристик обрабатываемого материала, требуемой степени и глубины упрочнения наиболее полно рассмотрен в работах В.М.Смелянского [3].

Режимы отделочной, отделочно-упрочняющей и упрочняющей обработки для статических методов определяются давлением в зоне контакта инструмента и обрабатываемой поверхности детали, которое зависит от рабочего усилия P, фактической площади контакта А_ф и твердости материала обрабатываемой детали.

Фактическая площадь контакта при пластических деформациях определяется по уравнению [1]

(2)

где HB - твердость обрабатываемой заготовки.

С учетом исходной шероховатости фактическая площадь контакта будет зависеть от номинальной площади контакта Ан, величин контактных деформаций, которые определяются формируемой относительной длиной профиля шероховатости tp_к :

 (3)

Номинальная площадь контакта рабочей части инструмента с обрабатываемой деталью рассчитывается по формуле

(4)

где p_н - номинальное давление в зоне контакта.

Подставляя правую часть формулы (4) в выражение (3) и приравнивая правые части полученного уравнения и уравнения (2), получаем

откуда

При отделочной обработке tp_к находится в пределах 10…25%, тогда

0,1 HB < p_н < 0,25 HB.

При отделочно-упрочняющей обработке 25 < tp_к < 40%, т.е.

0,25 HB < p_н < 0,4 HB.

При упрочняющей обработке 40 < tp_к < 100%, следовательно,

0,4 HB < p_н < HB.

Рабочие усилия при ОУО ППД определяются по формуле

P = Ан p_н .

Номинальная площадь контакта инструмента и обрабатываемой детали зависит от рабочего усилия, приведенного радиуса контакта, параметров исходной шероховатости поверхности [2].

При динамических методах обработки взаимосвязь между режимами обработки и параметрами инструмента значительно более тесная, чем при статических. деталь пластический деформирование

Удельная работа деформации неровностей шероховатости Аду определяется по зависимости

Аду = c' k _T /100 (5)

где подынтегральное выражение определяет относительную опорную длину профиля шероховатости в зависимости от контактного сближения [4]; с' = 2,87 - коэффициент стеснения; k - степень упрочнения; _T - предел текучести обрабатываемого материала.

С другой стороны, работа, совершаемая инструментом при множестве ударов по единичной площади обрабатываемой поверхности, определяется как сумма энергий всех ударов на этой площади. Принимая, что энергии ударов равны, получаем

Аду = Еу m (6)

где Еу - энергия единичного удара, Дж; m - плотность ударов, мм^-2.

Плотность ударов m связана со средним шагом между отпечатками в продольном (Sz_пр ) и поперечном (Sz_поп ) направлениях:

m = (Sz_пр · Sz_поп )^-1 (7)

Шаг отпечатков, в свою очередь, оказывает влияние на формируемую шероховатость обрабатываемой поверхности. При отсутствии раздельных требований по продольной и поперечной шероховатости для повышения производительности целесообразно принимать Sz_пр = Sz_поп . Наибольшее значение величины Sz при отделочной и отделочно-упрочняющей обработке может быть определено исходя из того, что коэффициент перекрытия отпечатков, как правило, не менее 2. Размер отпечатка определяем из геометрических соображений (рис. 2):

b = 2

Подставив Sz_max = b/2 и коэффициент перекрытия в формулу (7), после выполнения некоторых преобразований получим зависимость для минимальной плотности ударов:

m = (8)

где r - приведенный радиус.

По данным литературных источников [3], отношение максимального шага ударов к минимальному обычно достигает 4. При введении коэффициента k_S = 1…4, определяющего, во сколько раз расчетный шаг меньше максимального, в числитель уравнения (8) оно получает вид

m =

В общем случае энергия единичного удара Еу определяется по зависимости

Еу = k_Э Ек

где Ек - кинетическая энергия самого инструмента или бойка (в зависимости от схемы формирования удара), зависящая от его массы M и скорости V, Ек = M V²/2; k_Э - доля кинетической энергии, затраченная на процесс пластического деформирования.

Выполнив подстановки и приравняв правые части уравнений (6) и (5), получим зависимость, связывающую параметры обрабатываемой поверхности, инструмента и режимы обработки:

= tp(y)dy c' k _T /100 (9)

Величина контактного сближения y_к, необходимая для обеспечения заданной шероховатости, определяется исходя из шероховатости, полученной при предшествующей обработке [1; 2; 4; 5].

Учитывая наличие параметров, оказывающих существенное влияние друг на друга, уравнение (9) целесообразно решать с помощью ЭВМ. Кроме того, достаточно сложно учесть различные дополнительные факторы, влияющие на значение того или иного параметра, поэтому при решении уравнения необходим диалог с пользователем.

При упрочняющих режимах обработки шероховатость получаемой поверхности имеет второстепенное значение, а основными параметрами являются глубина и степень упрочнения. Взаимосвязь режимов обработки, параметров обрабатываемой поверхности и инструмента рассмотрена в работе [6].

Для определения степени упрочнения при отделочной и отделочно-упрочняющей обработке можно воспользоваться зависимостью Мейера, имеющей вид

Р = m d_oⁿ (R/R₀)^n-2 (10)

где m - константа Мейера, определяемая свойствами материала и имеющая размерность напряжения (МПа); n - коэффициент, зависящий от пластических свойств материала; d₀ - диаметр отпечатка; R - радиус шарика при испытаниях; R₀ - приведенный радиус сферической части инструмента, для которого определяется степень упрочнения.

Усилие деформирования в соответствии с теорией контактного взаимодействия [1] определяется следующим равенством:

Р = c' k _T A_ф (11)

где A_ф - фактическая площадь контакта [1]; k - степень упрочнения.

Выразив диаметр d_o через площадь отпечатка, а фактическую площадь контакта через характеристики шероховатости и контактное сближение, подставляем их, а также равенство (11) в зависимость (10). Выразив из полученного уравнения степень упрочнения, получаем

В табл. 2 приведены рассчитанные в соответствии с предлагаемой методологией режимы статической обработки ППД различных поверхностей деталей с HB 950 МПа и исходной шероховатостью Rz = 6,25 мкм.

Таблица 2. Рабочее усилие, соответствующее различным режимам ППД, Н

Как видно из табл. 2, при обработке по мере увеличения подачи растет и усилие, что вызвано увеличением общей ширины следа инструмента. Однако при чрезмерном увеличении подачи при заданном значении радиуса следы могут перестать перекрываться, и на поверхности возникнет спиральная канавка. Очевидно, что такие режимы не пригодны для ОУО ППД, поэтому в табл. 2 значения для них не определялись.

Для приведения любой расчетной схемы к виду «шарик - плоская поверхность» необходимо определить средний приведенный радиус r_пр , который, в свою очередь, зависит от приведенных радиусов контакта в продольном (r_{пр_прод}) и поперечном (r_{пр_поп}) направлениях (относительно скорости обработки). Эти направления обычно совпадают с плоскостями главных кривизн инструмента и обрабатываемой поверхности.

Величина приведенного радиуса r_{пр_прод} (r_{пр_поп}) по соответствующим направлениям определяется геометрией обрабатываемой поверхности и рабочей части инструмента в этих плоскостях:

откуда

где знак «+» используется, если обрабатываемая поверхность выпуклая (вал, наружная поверхность сферы), «-» - если вогнутая (отверстие); r_{д_прод(поп)} , r_{инс_прод(поп)} - радиусы кривизны обрабатываемой поверхности детали и инструмента соответственно в продольном и поперечном направлениях. Если поверхность детали имеет прямолинейный профиль в продольном или поперечном направлении, то приведенный радиус равен фактическому радиусу инструмента в соответствующем направлении.

Средний приведенный радиус определяется по зависимости

r_пр =

где r_{пр_прод} , r _{пр_поп} - продольный и поперечный приведенные радиусы соответственно.

Таким образом, предлагаемая методология позволяет проектировать операции ОУО ППД от выбора предшествующего ППД метода до определения режимов обработки и параметров рабочей части инструментов, охватывая как статические, так и динамические (ударные) методы обработки при всех видах ОУО ППД - от отделочных до упрочняющих.

Список литературы

1. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин/ А.Г.Суслов. - М.:Машиностроение, 2000. - 320 с.

2. Инженерия поверхности деталей / под ред. А.Г.Суслова. - М.:Машиностроение, 2008. - 320 с.

3. Смелянский, В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием/ В.М.Смелянский. - М.:Машиностроение, 2002. - 300 с.

4. Гуров, Р.В. Взаимосвязь режимов обработки и геометрических параметров инструмента с параметрами качества поверхностного слоя при отделочных и отделочно-упрочняющих режимах ОУО ППД/ Р.В.Гуров// Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. - №8.

5. Суслов, А.Г. Проектирование операций отделочно-упрочняющей обработки поверхностно-пластическим деформированием / А.Г.Суслов, Р.В.Гуров // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. - №3.

6. Подольский, М.А. Оценка эффективности упрочнения деталей динамическими методами ППД на основе энергетического критерия: автореф. дис…. канд.техн.наук/ М.А. Подольский. - Ростов н/Д, 2005. - 19 с.

Размещено на Allbest.ru